WO2004063767A1 - Radar-transceiver for microwave and millimetre applications - Google Patents

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WO2004063767A1 PCT/EP2003/014347 EP0314347W WO2004063767A1 WO 2004063767 A1 WO2004063767 A1 WO 2004063767A1 EP 0314347 W EP0314347 W EP 0314347W WO 2004063767 A1 WO2004063767 A1 WO 2004063767A1
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    • H01L2924/15311—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Definitions

  • the invention relates to a radar transceiver (transmitter / receiver module) for microwave and millimeter wave applications and associated module platform concepts for interconnecting sub-modules to form an overall module.
  • a radar transceiver is a high-frequency device suitable for locating objects in space or for determining speed, which can transmit electromagnetic waves and receive and process the electromagnetic waves reflected by the target object.
  • a radar transceiver usually contains several interconnected high-frequency modules that fulfill various functions in the frequency range from 1 to 100 GHz.
  • the frequency range between 1 GHz and 30 GHz is called the microwave range (MW range).
  • the frequency range from 30 GHz up is (I mmW Bere ') called millimeter wave range.
  • the high-frequency modules differ from the high-frequency modules in particular in that “waveguides”, for example microstrip lines and coplanar lines, are generally used for high-frequency circuits from 5 GHz.
  • a transceiver module realized using this technique is known, which contains the following components arranged on a 30 mm ⁇ 30 mm board: a voltage-controlled oscillator constructed with discrete SMD components (a transistor and two diodes) and a mixer.
  • a voltage-controlled oscillator constructed with discrete SMD components (a transistor and two diodes) and a mixer.
  • an antenna, a frequency divider and a frequency control loop are externally connected to this module.
  • modules to be used in the millimeter wave range are mostly manufactured on the basis of thin-film substrates.
  • the thin-film substrate can simultaneously carry one or more chip components.
  • the chip components are attached to the carrier substrate by means of wire bonding or flip-chip technology and are electrically connected to it.
  • the object of the present invention is to provide a new, highly integrated implementation of a radar transceiver in a compact module. This object is achieved by a component with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention emerge from further claims.
  • the invention provides a radar transceiver, comprising: at least one oscillator, which comprises at least one active circuit element, at least one frequency-determining resonance circuit and at least one component suitable for frequency detuning, at least one mixer, which comprises at least one diode and at least one passive circuit element Substrate with at least two dielectric layers arranged directly one above the other, in which metallization levels are provided on, below and between the dielectric layers, the underside of the substrate having external contacts for contacting a system carrier and the top of the substrate having contacts for contacting the outer electrodes of the at least one electronic one Has individual component, one or more electronic individual components arranged on the top of the substrate, the at least one active or non-linear circuit component of the mixer and - at least one active or not comprise linear circuit components of the voltage-controlled oscillator, the at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the voltage-controlled oscillator being integrated in one of the metallization levels of the substrate.
  • the at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the voltage-controlled oscillator is preferably at least partially integrated in one of the inner metallization levels of the substrate.
  • the elements mentioned can at least partly instead of being distributed over several internal metallization levels instead of in only one inner metallization level.
  • the passive circuit element of the mixer and / or the resonance circuit of the oscillator is arranged entirely in the interior of the substrate.
  • At least one internal metallization level is thus structured in such a way that at least one passive circuit element of the radar transceiver circuit is formed in this level, apart from shielding metal surfaces (ground surfaces) or line sections of a connecting line which may also be arranged in this plane.
  • connection between the metallization levels is preferably made by means of plated-through holes. It is also possible to establish the connection by a capacitive or inductive field coupling of two metal structures that are located in different metallization levels.
  • the oscillator generates electromagnetic vibrations in the radar transceiver at the specified maximum frequency - a reference signal which is sent via the transmission path of the radar transceiver to an external or integrated antenna and from there is transmitted as a transmission signal in the direction of a target object.
  • the signal reflected by the target object reaches the mixer via the receive antenna and the receive path of the radar transceiver, which mixes send and receive signals and delivers a demodulated signal.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit, in German "customer-specific integrated circuit
  • the ASIC is expediently connected from the outside. It is possible that the ASIC is applied as a single component on the top of the substrate.
  • These or other existing individual electronic components have at least two outer electrodes arranged on the underside, which are electrically connected to the contacts on the top of the substrate.
  • An individual electronic component is above all a nonlinear or an active electronic component, in particular a chip component.
  • a non-linear or active individual component is understood to mean a discrete non-linear or active circuit element such as a diode or a transistor, or a chip component comprising at least one non-linear or active component with or without a housing.
  • the nonlinear or active individual component can also comprise one or more passive circuit elements (selected from an inductance, a capacitance, a resistor, a line or a line section).
  • the active individual components can be constructed, for example, using Si, SiGe, GaAs or InP semiconductor technology.
  • the radar transceiver module according to the invention can contain one or more passive individual components.
  • a passive individual component is a discrete component, selected from a capacitor, a coil, a resistor, or a chip component, which comprises at least part of the following circuits: an RLC circuit, a filter, a switch, a directional coupler, a bias Network, an antenna, an impedance converter or a matching network.
  • the individual electronic component has at least two external contacts for electrical connection to the metallic structures hidden in the substrate.
  • the at least one individual electronic component is mechanically or electrically connected to the substrate and the integrated circuit elements in the maximum frequency range relevant to the invention, preferably by means of flip-chip technology, so that their structured side faces the upper side of the substrate.
  • one or more discrete electronic components for example a coil, a capacitor or a resistor
  • one or more carrier substrates with passive RF structures such as filters or mixers , in particular, carrier substrates structured using thin-film technology, can be arranged on the upper side of the substrate.
  • substrate is understood to mean all types of planar circuit carriers.
  • substrate is also understood to mean so-called molded interconnection devices (MID), which consist of thermoplastic polymers on which conductor tracks are structured.
  • MID molded interconnection devices
  • a substrate is preferably of monolithic construction, with all the dielectric layers and metal layers being produced or sintered together in a process in the case of a ceramic substrate.
  • the substrate contains integrated circuit elements, especially passive circuit elements of the mixer (in particular a hybrid ring), the oscillator (in particular a resonance circuit) and structures of one or more low-pass filters.
  • An integrated circuit element means in particular an inductance, a capacitance or a line, e.g. B. a transmission line radiator, a connecting line, or a line section. These can be arranged in a manner known per se as interconnects between, in and on the dielectric layers of a substrate with a multilayer structure and thus form integrated circuit elements.
  • capacitors and inductors are often present as distributed elements realized by line sections.
  • the capacitors can be designed as radial stubs, for example.
  • the underside of the substrate has external contacts for electrical connection, for example to the printed circuit board of a terminal.
  • Metallization levels are primarily arranged between the dielectric substrate layers. The upper side of the substrate and the lower side of the substrate are also considered here as metallization levels.
  • the radar transceiver module according to the invention is distinguished from the known radar transceiver modules by a three-dimensional integration of the circuit elements (in particular those of the mixer and the oscillator) in the substrate and is therefore particularly space-saving (small footprint).
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of the three-dimensional integration of the high-frequency circuit elements in the metallization planes of the substrate
  • FIG. 4 shows an advantageous embodiment of the radar transceiver module according to the invention in a schematic cross section
  • FIG. 1 A block diagram of a radar transceiver circuit is shown in FIG. 1
  • the transmission signal HFout is transmitted by means of the TX-ANT transmission antenna.
  • the reflected signal is received by the receiving antenna RX-ANT.
  • Both the transmitting antenna and the receiving antenna can be formed in one of the metallization levels of the substrate (including the underside of the substrate). Another possibility is that the transmitting and / or receiving antenna is connected externally via high-frequency terminals.
  • the radar transceiver circuits mentioned are supplied with a supply voltage Vcc and / or a current Icc.
  • the transceiver can also be used for short-distance data transmission, e.g. B. for use as a radio key.
  • the antenna TRX-ANT is used simultaneously for the transmission of the transmission signal and for signal reception.
  • a radar transceiver frequency control of the oscillator, signal amplification, signal transmission, signal reception, demodulation
  • the passive circuit elements being integrated three-dimensionally in the metallization levels of the substrate, see Figure 2.
  • the conductor structures LS and LSI form integrated circuit elements IE.
  • the substrate SU has conductor structures for producing the above-mentioned electrical contact on the upper side and external contacts AK on the underside for producing an electrical connection with the printed circuit board of a terminal.
  • the external contacts AK can be designed as land grid arrays (LGA) or can additionally be provided with solder balls ( ⁇ BGA, or ball grid arrays). Compared to the LGAs, the ⁇ BGAs have the advantage of a higher thermomechanical strength, which is significant for product qualification for automotive applications.
  • the outer electrodes of the individual electronic components are needle-shaped (leads).
  • the individual components mainly include non-linear or active circuit elements of the mixer and the (voltage controlled) oscillator, which, for. B. can not be integrated in the substrate. It is possible that the circuit elements of the mixer and of the oscillator (at least partially) in a common individual component or in different ones
  • a single individual component contains (at least partially) the circuit elements of the mixer, the oscillator and a frequency divider. It is also possible for the circuit elements of the mixer, the oscillator and the frequency divider to be contained (at least partially) in three different individual components. It is also possible that the circuit elements of the mixer and the voltage-controlled oscillator (at least partially) are implemented in a common individual component and the circuit elements of the frequency divider (at least partially) are implemented in a separate individual component.
  • the radar transceiver module according to the invention contains the following individual components on the upper side of the substrate: an IC which (at least partially) comprises the (voltage-controlled) oscillator and the frequency divider, and one or more (e.g. two or four ) Discrete diode chips that implement the mixer function, see also Figure 4.
  • an IC which (at least partially) comprises the (voltage-controlled) oscillator and the frequency divider, and one or more (e.g. two or four ) Discrete diode chips that implement the mixer function, see also Figure 4.
  • the oscillator can also (at least partially) instead of an integrated circuit from discrete transistors, for. B. be constructed from one or more transistor chips.
  • the mixer can be (at least partially) an integrated circuit.
  • the circuits of the mixer, the oscillator and the frequency divider can generally be in the form of single-chip, two-chip or three-chip solutions.
  • the resonance circuit of the (at least one) oscillator can be partially or entirely be carried out on-chip (ie in an individual electronic component).
  • the at least one electronic individual component CB is covered with a film SF for protection against moisture and external mechanical influences (film cover).
  • the film cover represents a film whose shape is (or will be) adapted to that of the components to be protected (or covered).
  • the film cover lies over the back of the active individual component and closes with the surface of the substrate on all sides in such a way that the active individual component is completely covered and is therefore protected from external mechanical influences, dust and moisture.
  • the film cover completely and together covers all individual components on the top of the component.
  • the film cover can additionally be covered with a metal layer to shield it from the surroundings.
  • Layer can, for example, by sputtering, electroplating, chemical metal deposition, vapor deposition or by a combination nation of the methods mentioned.
  • the individual components located on the top of the substrate are covered in this exemplary embodiment with a casting compound GT. It is optionally possible to omit the potting compound.
  • Potting compound is understood here to mean all substances which are applied to the film in the liquid state and solidify through hardening (chemical reaction) or solidification (cooling). This includes both filled and unfilled polymers, such as masking compounds, glob-top compounds, thermoplastics or plastic adhesives, as well as metals or ceramic materials, such as ceramic adhesives.
  • Glob-Top is a potting compound that only flows slightly due to its high viscosity and therefore surrounds the individual component to be protected in a drop shape.
  • the metal-coated film can be coated with a casting compound after lamination.
  • the film is partially removed at the edges lying against the substrate - for example by laser - and only then coated with metal so that the individual components to be covered are completely surrounded by metal or ceramic and thus hermetically sealed are.
  • Module (additionally) contains a cover for mechanical protection of the electronic individual components arranged on the top of the substrate.
  • the bumps BU serve to establish an electrical connection between the integrated circuit elements IE hidden in the substrate SU and the at least one electronic one Individual component CB and possibly the further individual components arranged on the substrate top.
  • the bumps usually consist of solder, for example SnPb, SnAu, SnAg, SnCu, SnPbAg, SnAgCu in different concentrations, or of gold. If the bump consists of solder, the component is connected to the substrate by soldering; if it is made of gold, the individual components CB and substrate SU can be connected by thermo-compression bonding, ultrasonic bonding or thermosonic bonding (sintering or ultrasonic welding process).
  • the height of the flip-chip bumps must be kept so low in the high frequency applications that only a small amount of electromagnetic radiation can emerge from the high frequency single component and be absorbed by the laminated film.
  • Thermocompression bonding is one way of achieving the low level of flip-chip bumps.
  • the individual electronic components can be SMD components.
  • passive individual components in particular discrete coils, capacitors, resistors or individual chips with passive circuits (for example filters, mixers, matching circuits) on the top of the substrate. It is possible to compensate for the detuning of the component by the housing with additional discrete passive compensation structures.
  • the individual electronic components and the integrated circuit components can form at least part of the following circuits: a high-frequency switch, a matching circuit, a high-pass filter, a low-pass filter, a bandpass filter, a bandstop filter, a power amplifier, a coupler, a directional coupler, a bias circuit or a mixer. If the at least one electronic individual component does not have any signal-carrying structures to be protected on the surface (for example, all circuit elements and circuits are hidden in a multilayer substrate), it is possible to coat this individual component first with the potting compound and only after the potting compound has hardened to have a film cover applied.
  • the signal lines in the component according to the invention can either be completely hidden in the substrate, or at least some of the signal lines can be arranged on the top of the substrate.
  • the maximum frequency connection lines in the radar transceiver module according to the invention can be designed as microstrip lines or “suspended microstrip” (microstrip lines covered with dielectric), two-wire lines or coplanar lines (three-wire lines) or triplate lines (coplanar lines covered with dielectric).
  • FIG. 3 shows an exemplary integration of the high-frequency circuit elements (here: mixer) in the metallization levels of the substrate in a perspective view.
  • Each low-pass filter is made up of radial stubs RS and thin lines DL.
  • the thin lines have an inductive effect, and the radial stubs have a capacitive effect.
  • the substrate contains different dielectric layers with respect to the dielectric constant or the thickness of the layers.
  • the dielectric layers which comprise the hybrid ring and the oscillator resonance circuit, are thicker than the layers comprising low-pass structures. The smaller the distance between a metallization level with the signal-carrying structures and a metallization level with the ground surface and the higher the dielectric constant of the corresponding dielectric layers, the more capacitive (lower resistance in the sense of the maximum frequency) that are arranged in the first of the metallization levels mentioned conductor structures.
  • the mixer section contains a hybrid ring (ratrace or 90 ° hybrid ring) HR, low-pass structures TPFI, two Schottky diodes MIX1 and MIX2 and the corresponding vertical connections realized through the plated-through holes.
  • the oscillator section contains an IC, which partly comprises a (preferably voltage-controlled) oscillator and a frequency divider (an OSZ-IC), a resonance circuit RES hidden in the substrate, low-pass structures as well as connecting lines and vias.
  • the radar transceiver module according to the invention represents a component that is easy to process with conventional standard SMD placement methods.
  • Transceiver module can in particular on a system board, for. B. an FR4 circuit board or a softboard usually made of laminates.
  • the invention provides for the corresponding subfunctions of the radar transceiver to be implemented in submodules which are connected to one another on a system carrier.
  • the radar transceiver can be constructed, for example, from two separate components - a transmitter sub-module that contains the oscillator section and a receiver sub-module that contains the mixer section.
  • an antenna such as.
  • a system carrier for establishing the connection between the Sub-modules and z. B. for the execution of the planar antenna are particularly suitable ceramics and laminates based on Teflon or glass fiber.
  • connection technology between the individual component and substrate and between the substrate and an external circuit board With regard to the connection technology between the individual component and substrate and between the substrate and an external circuit board.

Abstract

The invention relates to a transceiver module (transmitter/receiver module) for microwave and millimetre applications or associated module platform concepts for interconnecting partial modules in order to form a whole module which is particularly suitable for mass production. The transceiver module contains a) one or several electronic individual components comprising in particular active circuit components of a (preferably voltage-controlled) oscillator, a mixer and a frequency divider, and b) a multilayered substrate and integrated circuit elements, especially a hybrid ring of the mixer and a resonance circuit of the voltage controlled oscillator. The electric individual components are arranged on the upper side of the substrate. The invention enables transmitting or receiving functions to be achieved in a compact component with three-dimensional integration of extra-high frequency components. .

Description

Beschreibungdescription
Radar-Transceiver für Mikrowellen- und MillimeterwellenanwendungenRadar transceiver for microwave and millimeter wave applications
Die Erfindung betrifft einen Radar-Transceiver (Sende/Empfänger-Modul) für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen und zugehörige Modulplattformkonzepte zur Zusammenschaltung von Teilmodulen zu einem Gesamtmodul .The invention relates to a radar transceiver (transmitter / receiver module) for microwave and millimeter wave applications and associated module platform concepts for interconnecting sub-modules to form an overall module.
Ein Radar-Transceiver ist ein zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung geeignetes Hόchst- frequenzgerät , das elektromagnetische Wellen senden und die vom Zielgegenstand reflektierten elektromagnetischen Wellen empfangen und weiterverarbeiten kann. Ein Radar-Transceiver enthält in der Regel mehrere miteinander verschaltete Höchst- frequenzmodule, die verschiedene Funktionalitäten im Frequenzbereich von 1 bis 100 GHz erfüllen.A radar transceiver is a high-frequency device suitable for locating objects in space or for determining speed, which can transmit electromagnetic waves and receive and process the electromagnetic waves reflected by the target object. A radar transceiver usually contains several interconnected high-frequency modules that fulfill various functions in the frequency range from 1 to 100 GHz.
Der Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 30 GHz wird Mikrowel- lenbereich (MW-Bereich) genannt. Der Frequenzbereich ab 30 GHz aufwärts wird Millimeterwellenbereich (mmW-Bere'ich) genannt. Die Höchstfrequenzmodule unterscheiden sich gegenüber den Hochfrequenzmodulen insbesondere dadurch, daß für Höchst- frequenzschaltungen ab 5 GHz in der Regel „Wellenleiter", z. B. Mikrostreifenleitungen und Koplanarleitungen verwendet werden .The frequency range between 1 GHz and 30 GHz is called the microwave range (MW range). The frequency range from 30 GHz up is (I mmW Bere ') called millimeter wave range. The high-frequency modules differ from the high-frequency modules in particular in that “waveguides”, for example microstrip lines and coplanar lines, are generally used for high-frequency circuits from 5 GHz.
Transceiver oder Transceiver-Komponenten werden insbesondere in folgenden Bereichen angewendet: bei automobilen Radarmodulen, beispielsweise Automobilradar bei 24 GHZ und 77 GHz, Keyless Entry Systemen, aber auch allgemein bei Datenübertra- gungs-Systemen, z. B. bei drahtlosen lokalen Datennetzwerken WLAN (Wireless Local Area Network) , optischen Modulen wie Multiplexer, Modulatoren und Sender-/Empf ngereinheiten, bei Front-End-Modulen für Breitbandkommunikation, z. B. LMDS (Lo- cal Multimedia Distribution System) und Richtfunkanlagen für Basisstationen.Transceivers or transceiver components are used in particular in the following areas: for automotive radar modules, for example automotive radar at 24 GHz and 77 GHz, keyless entry systems, but also generally for data transmission systems, for example: B. in wireless local area networks WLAN (Wireless Local Area Network), optical modules such as multiplexers, modulators and transmitter / receiver units, in front-end modules for broadband communication, e.g. B. LMDS (Lo- cal multimedia distribution system) and directional radio systems for base stations.
Im Mikrowellenbereich von 1 bis 18 GHz ist es bisher üblich, verschiedene Schaltungsteile (Höchstfrequenzmodule) auf einem Softboard (Leiterplatte aus einem Material mit einer niedrigen Absorption elektromagnetischer Wellen im Höchstfrequenz- bereich) mittels SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) miteinander zu verbinden. Die SMD-Bauteile sind jedoch für Anwendungen bei höheren Frequenzen als 18 GHz meist ungeeignet .In the microwave range from 1 to 18 GHz, it has so far been customary to connect different circuit parts (maximum frequency modules) on a soft board (printed circuit board made of a material with a low absorption of electromagnetic waves in the maximum frequency range) using SMD technology (SMD = Surface Mounted Device) , However, the SMD components are mostly unsuitable for applications at frequencies higher than 18 GHz.
Es ist beispielsweise ein mit dieser Technik realisierter Transceiver-Modul bekannt, das folgende auf einem 30 mm x 30 mm großen Board angeordnete Komponenten enthält: einen mit diskreten SMD-Bauelementen (einem Transistor und zwei Dioden) aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillator und einen Mischer. Zusätzlich werden an dieses Modul eine Antenne, ein Frequenzteiler und eine Frequenzregelschleife von extern an- geschlossen.For example, a transceiver module realized using this technique is known, which contains the following components arranged on a 30 mm × 30 mm board: a voltage-controlled oscillator constructed with discrete SMD components (a transistor and two diodes) and a mixer. In addition, an antenna, a frequency divider and a frequency control loop are externally connected to this module.
Im Millimeterwellenbereich anzuwendende Module werden heutzutage meist auf der Basis von Dünnschichtsubstraten hergestellt. Das Dünnschichtsubstrat kann gleichzeitig ein oder mehrere Chip-Bauelemente tragen. Die Chip-Bauelemente werden auf dem Trägersubstrat mittels Drahtbonden oder Flip-Chip- Technik befestigt und damit elektrisch verbunden.Nowadays, modules to be used in the millimeter wave range are mostly manufactured on the basis of thin-film substrates. The thin-film substrate can simultaneously carry one or more chip components. The chip components are attached to the carrier substrate by means of wire bonding or flip-chip technology and are electrically connected to it.
Der Nachteil der bisher bekannten Transceiver-Modulen besteht darin, daß sie einen großen Platzbedarf haben und aus diesemThe disadvantage of the previously known transceiver modules is that they have a large space requirement and from this
Grund den anwendungsbezogenen Anforderungen oft nicht genügen (z. B. bei Funkschlüssel-Anwendungen für Automotive Remote Keyless Entry, RKE) .Often not sufficient due to the application-related requirements (e.g. for radio key applications for automotive remote keyless entry, RKE).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue hochintegrierte Realisierung eines Radar-Transceivers in einem kompakten Modul anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.The object of the present invention is to provide a new, highly integrated implementation of a radar transceiver in a compact module. This object is achieved by a component with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention emerge from further claims.
Die Erfindung gibt einen Radar-Transceiver an, enthaltend: zumindest einen Oszillator, der zumindest ein aktives Schaltungselement , zumindest einen frequenzbestimmenden Resonanzkreis und zumindest eine zur FrequenzverStimmung geeignete Komponente umfaßt, zumindest einen Mischer, der zumindest eine Diode und zumindest ein passives Schaltungselement umfaßt, ein Substrat mit zumindest zwei direkt übereinander angeordneten dielektrischen Lagen, bei dem auf, unterhalb und zwischen den dielektrischen Lagen Metallisierungsebenen vorgesehen sind, wobei die Unterseite des Substrats Außenkontakte zur Ankontaktierung an einen Systemträger und die Oberseite des Substrats Kontakte zur Ankontaktierung an die Außenelektroden der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente aufweist, eine oder mehrere auf der Oberseite des Substrats angeordnete elektronische Einzelkomponenten, die zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des Mischers und - zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des spannungsgesteuerten Oszillators umfassen, wobei das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder der zumindest eine Resonanzkreis des span- nungsgesteuerten Oszillators in einer der Metallisierungsebenen des Substrats integriert ist .The invention provides a radar transceiver, comprising: at least one oscillator, which comprises at least one active circuit element, at least one frequency-determining resonance circuit and at least one component suitable for frequency detuning, at least one mixer, which comprises at least one diode and at least one passive circuit element Substrate with at least two dielectric layers arranged directly one above the other, in which metallization levels are provided on, below and between the dielectric layers, the underside of the substrate having external contacts for contacting a system carrier and the top of the substrate having contacts for contacting the outer electrodes of the at least one electronic one Has individual component, one or more electronic individual components arranged on the top of the substrate, the at least one active or non-linear circuit component of the mixer and - at least one active or not comprise linear circuit components of the voltage-controlled oscillator, the at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the voltage-controlled oscillator being integrated in one of the metallization levels of the substrate.
Das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder der zumindest eine Resonanzkreis des spannungsge- steuerten Oszillators ist vorzugsweise zumindest teilweise in einer der innen liegenden Metallisierungsebenen des Substrats integriert . Die genannten Elemente können auch zumindest teilweise anstatt in nur einer inneren Metallisierungsebene über mehrere innen liegende Metallisierungsebenen verteilt sein. In einer vorteilhaften Variante ist das passive Schaltungselement des Mischers und/oder der Resonanzkreis des Os- zillators komplett im Inneren des Substrats angeordnet.The at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the voltage-controlled oscillator is preferably at least partially integrated in one of the inner metallization levels of the substrate. The elements mentioned can at least partly instead of being distributed over several internal metallization levels instead of in only one inner metallization level. In an advantageous variant, the passive circuit element of the mixer and / or the resonance circuit of the oscillator is arranged entirely in the interior of the substrate.
Zumindest eine innen liegende Metallisierungsebene ist also derart strukturiert, daß in dieser Ebene abgesehen von ggf. auch in dieser Ebene angeordneten abschirmenden Metallflächen (Masseflächen) oder Leitungsabschnitten einer Verbindungsleitung zumindest ein passives Schaltungselement der Radar- Transceiver-Schaltung ausgebildet ist.At least one internal metallization level is thus structured in such a way that at least one passive circuit element of the radar transceiver circuit is formed in this level, apart from shielding metal surfaces (ground surfaces) or line sections of a connecting line which may also be arranged in this plane.
Die Verbindung zwischen den Metallisierungsebenen erfolgt vorzugsweise mittels Durchkontaktierungen. Möglich ist es auch, die Verbindung durch eine kapazitive oder induktive Feldkopplung zweier Metallstrukturen, die sich in unterschiedlichen Metallisierungsebenen befinden, herzustellen.The connection between the metallization levels is preferably made by means of plated-through holes. It is also possible to establish the connection by a capacitive or inductive field coupling of two metal structures that are located in different metallization levels.
Der genannte Oszillator ist vorzugsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator.The aforementioned oscillator is preferably a voltage-controlled oscillator.
Der Oszillator generiert in dem Radar Transceiver elektromagnetische Schwingungen bei der vorgegebenen Höchstfrequenz - ein Referenzsignal, welches über den Sendepfad des Radar- Transceivers zu einer externen oder im Substrat integrierten Sendeantenne geleitet und von dort aus als Sendesignal in Richtung eines Zielobjektes ausgestrahlt wird. Das vom Ziel- objekt reflektierte Signal gelangt über die Empfangsantenne und den Empfangspfad des Radar-Transceivers an den Mischer, der Sende- und Empfangssignale miteinander mischt und ein demoduliertes Signal liefert. Das demodulierte Signal wird an einen ASIC (Application Specific Integated Circuit, auf Deutsch „kundenspezifische integrierte Schaltung") weiterge- leitet, die einen Frequenzregelkreis, vorzugsweise einen Phasenregelkreis (PLL = phase locked loop) enthält und eine Steuerspannung zur Frequenzregelung des (spannungsgesteuer- ten) Oszillators ausgibt. Der Oszillator enthält in der Regel zumindest ein nichtlineares (oder aktives) Schaltungselement zur Frequenzverstimmung, z. B. eine Varaktor-Diode. Der Frequenzregelkreis stellt z. B. eine digitale oder analoge PLL oder eine analoge Frequenzregelschleife dar.The oscillator generates electromagnetic vibrations in the radar transceiver at the specified maximum frequency - a reference signal which is sent via the transmission path of the radar transceiver to an external or integrated antenna and from there is transmitted as a transmission signal in the direction of a target object. The signal reflected by the target object reaches the mixer via the receive antenna and the receive path of the radar transceiver, which mixes send and receive signals and delivers a demodulated signal. The demodulated signal is forwarded to an ASIC (Application Specific Integrated Circuit, in German "customer-specific integrated circuit"), which contains a frequency control loop, preferably a phase locked loop (PLL = phase locked loop) and a control voltage for frequency control of the (voltage controlled ten) oscillator outputs. The oscillator usually contains at least one non-linear (or active) circuit element for frequency detuning, e.g. B. a varactor diode. The frequency control loop provides z. B. represents a digital or analog PLL or an analog frequency control loop.
Der ASIC wird zweckmäßig von extern angeschlossen. Es ist möglich, daß der ASIC als eine Einzelkomponente auf der Substrat-Oberseite aufgebracht wird.The ASIC is expediently connected from the outside. It is possible that the ASIC is applied as a single component on the top of the substrate.
Diese oder andere vorhandene elektronische Einzelkomponenten weisen zumindest zwei auf der Unterseite angeordnete Außenelektroden auf, die mit den Kontakten auf der Oberseite des Substrats elektrisch verbunden sind.These or other existing individual electronic components have at least two outer electrodes arranged on the underside, which are electrically connected to the contacts on the top of the substrate.
Eine elektronische Einzelkomponente ist vor allem ein nichtlineares oder ein aktives elektronisches Bauelement, insbesondere ein Chip-Bauelement.An individual electronic component is above all a nonlinear or an active electronic component, in particular a chip component.
Unter einer nichtlinearen oder aktiven Einzelkomponente versteht man ein diskretes nichtlineares oder aktives Schaltungselement wie eine Diode oder einen Transistor, oder ein zumindest eine nichtlineare oder aktive Komponente umfassendes Chip-Bauelement mit oder ohne Gehäuse. Die nichtlineare oder aktive Einzelkomponente kann außerdem ein oder mehrere passive Schaltungselemente (ausgewählt aus einer Induktivität, einer Kapazität, einem Widerstand, einer Leitung oder einem Leitungsabschnitt) umfassen.A non-linear or active individual component is understood to mean a discrete non-linear or active circuit element such as a diode or a transistor, or a chip component comprising at least one non-linear or active component with or without a housing. The nonlinear or active individual component can also comprise one or more passive circuit elements (selected from an inductance, a capacitance, a resistor, a line or a line section).
Die als Chip-Bauelement ausgebildete aktive Einzelkomponente kann ein Mikrowellen-Chip, ein Millimeterwellen-Chip oder ein IC-Bauelement (IC = Integrated Circuit) darstellen. Das IC- Bauelement kann wiederum ein MMIC-Bauelement (MMIC = Mono- lithic Microwave Integrated Circuit) sein.The active individual component designed as a chip component can be a microwave chip, a millimeter wave chip or an IC component (IC = Integrated Circuit). The IC component can in turn be an MMIC component (MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit).
Die aktiven Einzelkomponenten können beispielsweise mit Si-, SiGe-, GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie aufgebaut sein. Neben einer oder mehreren nichtlinearen oder aktiven Einzelkomponenten kann das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul eine oder mehrere passive Einzelkomponenten enthalten.The active individual components can be constructed, for example, using Si, SiGe, GaAs or InP semiconductor technology. In addition to one or more nonlinear or active individual components, the radar transceiver module according to the invention can contain one or more passive individual components.
Eine passive Einzelkomponente ist ein diskretes Bauelement, ausgewählt aus einem Kondensator, einer Spule, einem Widerstand, oder ein Chip-Bauelement, das zumindest einen Teil folgender Schaltungen umfaßt: eine RLC-Schaltung, ein Filter, einen Schalter, einen Richtkoppler, ein Bias-Netzwerk, eine Antenne, einen Impedanzwandler oder ein Anpassungsnetzwerk.A passive individual component is a discrete component, selected from a capacitor, a coil, a resistor, or a chip component, which comprises at least part of the following circuits: an RLC circuit, a filter, a switch, a directional coupler, a bias Network, an antenna, an impedance converter or a matching network.
Die elektronische Einzelkomponente weist zumindest zwei Außenkontakte zur elektrischen Verbindung mit den im Substrat verborgenen metallischen Strukturen auf.The individual electronic component has at least two external contacts for electrical connection to the metallic structures hidden in the substrate.
Die zumindest eine elektronische Einzelkomponente wird in dem für die Erfindung relevanten Höchstfrequenzbereich vorzugsweise mittels Flip-Chip-Technik mit dem Substrat und den in- tegrierten Schaltungselementen mechanisch bzw. elektrisch verbunden, so daß deren strukturierte Seite der Substrat- Oberseite zugewendet ist.The at least one individual electronic component is mechanically or electrically connected to the substrate and the integrated circuit elements in the maximum frequency range relevant to the invention, preferably by means of flip-chip technology, so that their structured side faces the upper side of the substrate.
Neben der zumindest einen (nichtlinearen, passiven oder akti- ven) elektronischen Einzelkomponente können ein oder mehrere diskrete elektronische Bauelemente (z. B. eine Spule, ein Kondensator oder ein Widerstand) sowie ein oder mehrere Trägersubstrate mit passiven HF-Strukturen wie Filter oder Mischer, insbesondere in Dünnschichttechnik strukturierte Trä- gersubstrate, auf der Oberseite des Substrats angeordnet sein.In addition to the at least one (non-linear, passive or active) electronic individual component, one or more discrete electronic components (for example a coil, a capacitor or a resistor) and one or more carrier substrates with passive RF structures such as filters or mixers , in particular, carrier substrates structured using thin-film technology, can be arranged on the upper side of the substrate.
Unter Substrat werden hier alle Arten von planaren Schaltungsträgern verstanden. Darunter fallen keramische Substrate (Dünnschichtkeramik, Dickschichtkeramik, LTCC = low tempera- ture cofired ceramics, HTCC = high temperature cofired cera- mics, LTCC und HTCC sind keramische Mehrlagenschaltungen) , polymere Substrate (herkömmliche Leiterplatten, wie FR4, sog. Softsubstrate, deren Polymer-Basis z.B. aus PTFE = Teflon o- der Polyolefinen besteht und die typischer Weise glasfaserverstärkt oder keramikpulvergefüllt sind) , Silizium sowie me- tallische Substrate, bei denen metallische Leiterbahnen und eine metallische Basisplatte durch Polymere oder keramische Materialien voneinander isoliert sind. Unter Substrat werden hier auch sog. Molded-Interconnection-Devices (MID) verstanden, die aus thermoplastischen Polymeren bestehen, auf denen Leiterbahnen strukturiert sind. Ein Substrat im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise in monolithischer Bauweise ausgeführt, wobei bei einem keramischen Substrat alle dielektrische Lagen und Metallagen in einem Verfahren hergestellt bzw. zusammen gesintert sind.Here, substrate is understood to mean all types of planar circuit carriers. This includes ceramic substrates (thin-layer ceramics, thick-layer ceramics, LTCC = low temperature cofired ceramics, HTCC = high temperature cofired ceramics, LTCC and HTCC are ceramic multilayer circuits), polymeric substrates (conventional printed circuit boards such as FR4, so-called soft substrates, the polymer base of which, for example, consists of PTFE = Teflon or polyolefins and are typically glass fiber reinforced or filled with ceramic powder), silicon and metallic substrates, in which metallic conductor tracks and one metallic base plate are insulated from one another by polymers or ceramic materials. Here, substrate is also understood to mean so-called molded interconnection devices (MID), which consist of thermoplastic polymers on which conductor tracks are structured. For the purposes of the invention, a substrate is preferably of monolithic construction, with all the dielectric layers and metal layers being produced or sintered together in a process in the case of a ceramic substrate.
Das Substrat enthält integrierte Schaltungselemente, vor allem passive Schaltungselemente des Mischers (insbesondere einen Hybridring) , des Oszillators (insbesondere einen Resonanzkreis) und Strukturen von einem oder mehreren Tiefpaßfil- tern. Unter einem integrierten Schaltungselement versteht man insbesondere eine Induktivität, eine Kapazität oder eine Leitung, z. B. einen transmission line Strahler, eine Verbindungsleitung, bzw. ein Leitungsabschnitt. Diese können auf eine an sich bekannte Weise als Leiterbahnen zwischen, in und auf den dielektrischen Lagen eines Substrats mit Vielschicht- Aufbau angeordnet sein und damit integrierte Schaltungselemente bilden. Vertikale Verbindungen zwischen den Leiterbahnen in verschiedenen Lagen (Durchkontaktierungen) zählen auch zu integrierten Schaltungselementen, da sie einerseits zur vertikalen Signalführung dienen und andererseits insbesondere im Höchstfrequenzbereich sowohl eine (parasitäre) Induktivität als auch eine (parasitäre) Kapazität darstellen. Mehrere einzelne integrierte Schaltungselemente bilden zusammen integrierte Schaltungen, insbesondere passive Schaltungen wie die eines Filters oder (zumindest teilweise) eines Mischers. Integrierte Schaltungselemente können außerdem zumindest einen Teil zumindest einer aktiven Schaltung realisieren, wel- eher mit den aktiven Einzelkomponenten auf der Oberfläche des Substrats elektrisch verbunden ist.The substrate contains integrated circuit elements, especially passive circuit elements of the mixer (in particular a hybrid ring), the oscillator (in particular a resonance circuit) and structures of one or more low-pass filters. An integrated circuit element means in particular an inductance, a capacitance or a line, e.g. B. a transmission line radiator, a connecting line, or a line section. These can be arranged in a manner known per se as interconnects between, in and on the dielectric layers of a substrate with a multilayer structure and thus form integrated circuit elements. Vertical connections between the conductor tracks in different positions (plated-through holes) also belong to integrated circuit elements, since on the one hand they serve for vertical signal routing and on the other hand they represent both a (parasitic) inductance and a (parasitic) capacitance, particularly in the highest frequency range. Several individual integrated circuit elements together form integrated circuits, in particular passive circuits such as that of a filter or (at least partially) a mixer. Integrated circuit elements can also implement at least part of at least one active circuit, which rather is electrically connected to the active individual components on the surface of the substrate.
Bei Höchstfrequenzen, insbesondere im mmW-Bereich, sind Kapa- zitäten und Induktivitäten oft als durch Leitungsabschnitte realisierte verteilte Elemente vorhanden. Die Kapazitäten können beispielsweise als Radial Stubs ausgeführt sein.At maximum frequencies, especially in the mmW range, capacitors and inductors are often present as distributed elements realized by line sections. The capacitors can be designed as radial stubs, for example.
Die Unterseite des Substrats weist Außenkontakte zur elektri- sehen Verbindung beispielsweise mit der Leiterplatte eines Endgeräts auf.The underside of the substrate has external contacts for electrical connection, for example to the printed circuit board of a terminal.
Metallisierungsebenen sind vor allem zwischen den dielektrischen Substratlagen angeordnet. Die Substrat-Oberseite und Substrat-Unterseite werden hier auch als Metallisierungsebenen betrachtet .Metallization levels are primarily arranged between the dielectric substrate layers. The upper side of the substrate and the lower side of the substrate are also considered here as metallization levels.
Die Oberseite des Substrats trägt leitende Strukturen (Metallisierungen) , die zur Herstellung einer elektrischen Verbin- düng zwischen den Metallisierungsebenen im Substrat und der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente auf der Substrat-Oberseite geeignet sind.The upper side of the substrate carries conductive structures (metallizations) which are suitable for producing an electrical connection between the metallization levels in the substrate and the at least one individual electronic component on the upper side of the substrate.
Die Gesamtstärke der dielektrischen Substratlagen beträgt ty- pischerweise zwischen 0,3 und 1,5 mm.The total thickness of the dielectric substrate layers is typically between 0.3 and 1.5 mm.
Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul zeichnet sich gegenüber den bekannten Radar-Transceiver-Modulen durch eine dreidimensionale Integration der Schaltungselemente (insbe- sondere derjenigen des Mischers und des Oszillators) im Substrat aus und ist dadurch besonders platzsparend (geringe Grundfläche) .The radar transceiver module according to the invention is distinguished from the known radar transceiver modules by a three-dimensional integration of the circuit elements (in particular those of the mixer and the oscillator) in the substrate and is therefore particularly space-saving (small footprint).
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert . Figuren la und lb zeigen jeweils ein Blockschaltbild einer beispielhaften Radar-Transceiver-SchaltungThe invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and the associated schematic and therefore not to scale figures. Figures la and lb each show a block diagram of an exemplary radar transceiver circuit
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Radar-Transceiver-Modul im schematischen QuerschnittFIG. 2 shows a radar transceiver module according to the invention in a schematic cross section
Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der dreidimensionalen Integration der Höchstfrequenz- Schaltungselemente in den Metallisierungsebenen des SubstratsFIG. 3 shows a perspective illustration of the three-dimensional integration of the high-frequency circuit elements in the metallization planes of the substrate
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Moduls im schematischen QuerschnittFIG. 4 shows an advantageous embodiment of the radar transceiver module according to the invention in a schematic cross section
In Figur la ist ein Blockschaltbild einer Radar-Transceiver- Schaltung dargestellt.A block diagram of a radar transceiver circuit is shown in FIG.
Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul in Figur la ent- hält einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO, dessen Frequenz mit einer Steuerspannung Vtune verstimmbar ist, einen Mischer MIX und eine kundenspezifische integrierte Schaltung ASIC mit einem Frequenzregelkreis, z. B. einem Phasenregelkreis PLL (in einer weiteren Ausführungsform kann der Fre- quenz- bzw. Phasenregelkreis z. B. in einem Frequenzteiler integriert sein) .The radar transceiver module according to the invention in FIG. 1 a contains a voltage-controlled oscillator VCO, the frequency of which can be detuned with a control voltage Vtune, a mixer MIX and a customer-specific integrated circuit ASIC with a frequency control loop, eg. B. a phase locked loop PLL (in a further embodiment, the frequency or phase locked loop can be integrated, for example, in a frequency divider).
Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul in Figur la enthält außerdem einen Frequenzteiler FD, der die Frequenz des AusgangsSignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO herunterteilt und ein Signal ZFout zur Steuerung des Phasenregelkreises der ASIC ausgibt .The radar transceiver module according to the invention in Figure la also contains a frequency divider FD, which divides the frequency of the output signal of the voltage-controlled oscillator VCO and outputs a signal ZFout for controlling the phase locked loop of the ASIC.
Der Oszillator, insbesondere der spannungsgesteuerte Oszilla- tor, der Frequenzteiler und der in dem Frequenzteiler integrierte oder extern in der ASIC angeordnete Phasenregelkreis bilden zusammen einen Frequenzregelkreis. Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul kann wahlweise, wie in der in Figur la dargestellten vorteilhaften Ausführungsform, jeweils im Sende- und/oder im Empfangspfad Ver- stärker TX-AMP bzw. RX-AMP enthalten. Diese können als nach Funktion getrennte Einzelkomponenten zur Verfügung stehen o- der in einer oder mehreren Einzelkomponenten zusammen mit anderen Schaltungselementen, z. B. mit den Schaltungselementen des Mischers, des (spannungsgesteuerten) Oszillators oder des Frequenzteilers, realisiert sein.The oscillator, in particular the voltage-controlled oscillator, the frequency divider and the phase-locked loop integrated in the frequency divider or arranged externally in the ASIC together form a frequency control loop. As in the advantageous embodiment shown in FIG. 1 a, the radar transceiver module according to the invention can optionally contain amplifiers TX-AMP or RX-AMP in the transmission and / or reception path. These can be available as individual components separated by function or in one or more individual components together with other circuit elements, eg. B. with the circuit elements of the mixer, the (voltage controlled) oscillator or the frequency divider.
Das Sendesignal HFout wird mittels der Sendeantenne TX-ANT ausgestrahlt. Das reflektierte Signal wird von der Empfangsantenne RX-ANT empfangen. Sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne können in einer der Metallisierungsebenen des Substrats (inklusive der Substrat-Unterseite) ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Sende- und/oder Empfangsantenne von extern über Höchstfrequenz- Terminale angeschlossen wird.The transmission signal HFout is transmitted by means of the TX-ANT transmission antenna. The reflected signal is received by the receiving antenna RX-ANT. Both the transmitting antenna and the receiving antenna can be formed in one of the metallization levels of the substrate (including the underside of the substrate). Another possibility is that the transmitting and / or receiving antenna is connected externally via high-frequency terminals.
Der Mischer MIX mischt das Empfangssignal mit dem Signal des Oszillators VCO und gibt ein demoduliertes Signal MIXout aus, das die gewünschte Information (z. B. über die Entfernung o- der die Geschwindigkeit des Zielobjekts) trägt und weiter z. B. zu einer visuellen Darstellung extern verarbeitet werden kann.The mixer MIX mixes the received signal with the signal of the oscillator VCO and outputs a demodulated signal MIXout which carries the desired information (for example about the distance or the speed of the target object) and further z. B. can be processed externally to a visual representation.
Die genannten Radar-Transceiver-Schaltungen (insbesondere die aktiven Schaltungselemente) werden mit einer Versorgungsspan- nung Vcc und/oder einem Strom Icc versorgt.The radar transceiver circuits mentioned (in particular the active circuit elements) are supplied with a supply voltage Vcc and / or a current Icc.
Der Transceiver ist gleichzeitig auch für Nahdistanz- Datenübertragung verwendbar, z. B. für Anwendung als Funkschlüssel .The transceiver can also be used for short-distance data transmission, e.g. B. for use as a radio key.
Für einfache Nahdistanz-Datenübertragungen sind z. B. eine Amplitudentastung (auf Englisch amplitude shift keying, oder ASK) oder eine Frequenzumtastung (auf Englisch frequency shift keying, oder FSK) gebräuchlich. Die Amplitudentastung wird durch Ein- und Ausschalten der Signalquelle (des Oszillators oder des Sendeverstärkers, falls vorhanden) im Takt der Datenbits realisiert. Die Frequenzumtastung ist durch Taktung einer Frequenzregelschleife realisierbar.For simple short-distance data transfers z. B. an amplitude shift keying, or ASK) or frequency shift keying (in English). The amplitude keying is realized by switching the signal source (the oscillator or the transmitter amplifier, if present) on and off in time with the data bits. Frequency shift keying can be implemented by clocking a frequency control loop.
In einer weiteren in der Figur lb abgebildeten Ausführungs- form des Radar-Transceivers dient die Antenne TRX-ANT gleich- zeitig zur Ausstrahlung des Sendesignals und zum Signalempfang.In a further embodiment of the radar transceiver shown in FIG. 1b, the antenna TRX-ANT is used simultaneously for the transmission of the transmission signal and for signal reception.
Im erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Modul sind alle relevanten Funktionalitäten eines Radar-Transceivers (Frequenzre- gelung des Oszillators, Signalverstärkung, Signalausstrahlung, Signalempfang, Demodulation) in einem kompakten Modul integriert, wobei die Integration der passiven Schaltungselemente dreidimensional in den Metallisierungsebenen des Substrats erfolgt, siehe Figur 2.All relevant functionalities of a radar transceiver (frequency control of the oscillator, signal amplification, signal transmission, signal reception, demodulation) are integrated in a compact module in the radar transceiver module according to the invention, the passive circuit elements being integrated three-dimensionally in the metallization levels of the substrate, see Figure 2.
In Figur 2 sind allgemeine Merkmale des dreidimensionalen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Radar-Transceivers anhand eines schematischen Querschnitts erläutert .In Figure 2, general features of the three-dimensional structure of a radar transceiver according to the invention are explained using a schematic cross section.
In Figur 2 ist der schematische Querschnitt eines erfindungs- gemäßen Radar-Transceivers BE mit einer elektronischen Einzelkomponente CB und einem mehrlagigen Substrat SU gezeigt. Die elektronische Einzelkomponente CB mit Außenelektroden AE ist hier ein Chip-Bauelement, das zumindest ein nichtlineares oder aktives Schaltungselement eines Mischers und/oder eines (spannungsgesteuerten) Oszillators (insbesondere eine Diode oder einen Transistor) umfaßt. Die elektronische Einzelkomponente CB kann außerdem ein oder mehrere passive Schaltungs- elemente (ausgewählt aus einer Kapazität, einer Induktivität oder einem Widerstand) enthalten. Die elektronische Einzel - komponente CB ist mittels Bumps BU mit verschiedenen Metallisierungsebenen, welche insbesondere Leiterstrukturen LS auf der Substrat-Oberseite und weitere im mehrlagigen Substrat SU verborgene Leiterstrukturen LSI umfassen, elektrisch verbunden. Die Leiterstrukturen LS und LSI bilden integrierte Schaltungselemente IE. Die elektrische Verbindung kommt bei- spielsweise mittels Flip-Chip-Technik oder SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) zustande. Das Substrat SU weist Leiterstrukturen zur Herstellung des genannten elektrischen Kontaktes auf der Oberseite sowie Außenkontake AK auf der Unterseite zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte eines Endgeräts auf. Die Außenkontakte AK können als Land-Grid-Arrays (LGA) ausgeführt oder zusätzlich mit Lot-Kugeln (μBGA, oder Ball-Grid-Arrays) versehen sein. Die μBGAs haben verglichen mit den LGAs den Vorteil einer höheren thermomechanisehen Festigkeit, die für die Produktquälifika- tion für Automotive Anwendungen erheblich ist.FIG. 2 shows the schematic cross section of a radar transceiver BE according to the invention with an electronic individual component CB and a multilayer substrate SU. The individual electronic component CB with external electrodes AE is a chip component which comprises at least one nonlinear or active circuit element of a mixer and / or a (voltage-controlled) oscillator (in particular a diode or a transistor). The individual electronic component CB can also contain one or more passive circuit elements (selected from a capacitance, an inductance or a resistor). The electronic individual component CB is by means of bumps BU with different metallization levels, which in particular have conductor structures LS the top of the substrate and further conductor structures LSI hidden in the multilayer substrate SU, are electrically connected. The conductor structures LS and LSI form integrated circuit elements IE. The electrical connection is established, for example, using flip-chip technology or SMD technology (SMD = Surface Mounted Device). The substrate SU has conductor structures for producing the above-mentioned electrical contact on the upper side and external contacts AK on the underside for producing an electrical connection with the printed circuit board of a terminal. The external contacts AK can be designed as land grid arrays (LGA) or can additionally be provided with solder balls (μBGA, or ball grid arrays). Compared to the LGAs, the μBGAs have the advantage of a higher thermomechanical strength, which is significant for product qualification for automotive applications.
Möglich sind außerdem nadeiförmige Außenkontakte (Leads) und nichtgalvanische Übergänge zwischen dem Bauelement und der extern anzuschließenden Leiterplatte, wie z. B. Hohlleiter- Übergänge oder Schlitzkopplungen (insbesondere Feldkopplung der Höchstfrequenzsignale vom Transceiver-Modul auf die extern angeordnete Antenne bzw. auf den Systemträger über auf der Modul-Unterseite vorhandene Schlitzstrukturen) . Die vertikale Signaldurchführung im Substrat SU erfolgt mittels Durchkontaktierungen DK1 und DK2.In addition, needle-shaped external contacts (leads) and non-galvanic transitions between the component and the circuit board to be connected externally, such as. B. waveguide transitions or slot couplings (in particular field coupling of the maximum frequency signals from the transceiver module to the externally arranged antenna or on the system carrier via slot structures present on the underside of the module). The vertical signal is carried out in the substrate SU by means of plated-through holes DK1 and DK2.
Es ist möglich, daß die Außenelektroden der elektronischen Einzelkomponente nadelfδrmig sind (Leads) .It is possible that the outer electrodes of the individual electronic components are needle-shaped (leads).
Die Einzelkomponenten umfassen vor allem nichtlineare oder aktive Schaltungselemente des Mischers und des (spannungsgesteuerten) Oszillators, die z. B. nicht im Substrat integriert werden können. Es ist möglich, daß die Schaltungselemente des Mischers und des Oszillators (zumindest teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente oder in verschiedenenThe individual components mainly include non-linear or active circuit elements of the mixer and the (voltage controlled) oscillator, which, for. B. can not be integrated in the substrate. It is possible that the circuit elements of the mixer and of the oscillator (at least partially) in a common individual component or in different ones
Einzelkomponenten realisiert sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, daß eine einzige Einzelkomponente die Schaltungselemente des Mischers, des Oszillators und eines Frequenzteilers (zumindest teilweise) enthält. Es ist auch möglich, daß die Schaltungselemente des Mischers, des Oszillators und des Frequenzteilers in drei verschiedenen Einzelkomponenten (zumindest teilweise) enthalten sind. Ferner ist es möglich, daß die Schaltungselemente des Mischers und des spannungsgesteuerten Oszillators (zumindest teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente und die Schaltungselemente des Frequenzteilers (zumindest teilweise) in einer separaten Einzelkomponente realisiert sind. Weitere Möglichkeiten ergeben sich aus folgenden Kombinationen: a) die Schaltungselemente des Mischers und des Frequenzteilers (zumindest teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente und die Schaltungselemente des Oszillators (zumindest teilweise) in einer separaten Einzelkomponente, b) die Schaltungselemente des Oszillators und des Frequenzteilers (zumindest teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente und die Schaltungselemente des Mischers (zu- mindest teilweise) in einer separaten Einzelkomponente.Individual components are realized. In an advantageous embodiment of the invention, it is possible that a single individual component contains (at least partially) the circuit elements of the mixer, the oscillator and a frequency divider. It is also possible for the circuit elements of the mixer, the oscillator and the frequency divider to be contained (at least partially) in three different individual components. It is also possible that the circuit elements of the mixer and the voltage-controlled oscillator (at least partially) are implemented in a common individual component and the circuit elements of the frequency divider (at least partially) are implemented in a separate individual component. Further possibilities result from the following combinations: a) the circuit elements of the mixer and the frequency divider (at least partially) in a common individual component and the circuit elements of the oscillator (at least partially) in a separate individual component, b) the circuit elements of the oscillator and the frequency divider (at least partially) in a common individual component and the circuit elements of the mixer (at least partially) in a separate individual component.
In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul folgende Einzelkomponenten auf der Substrat-Oberseite : einen IC, welcher (zumindest teilweise) den (spannungsgesteuerten) Oszillator und den Frequenzteiler umfaßt, sowie einen oder mehrere (z. B. zwei oder vier) diskrete Diodenchips, welche die Mischerfunktion realisieren, siehe auch Figur 4.In an advantageous embodiment, the radar transceiver module according to the invention contains the following individual components on the upper side of the substrate: an IC which (at least partially) comprises the (voltage-controlled) oscillator and the frequency divider, and one or more (e.g. two or four ) Discrete diode chips that implement the mixer function, see also Figure 4.
Der Oszillator kann außerdem (zumindest teilweise) an Stelle einer integrierten Schaltung auch aus diskreten Transistoren, z. B. aus einem oder mehreren Transistorchips aufgebaut werden. Der Mischer kann (zumindest teilweise) als integrierte Schaltung vorliegen. Die Schaltungen des Mischers, des Oszil- lators und des Frequenzteilers können generell als Einchip-, Zweichip- oder Dreichip-Lδsungen vorliegen. Der Resonanzkreis des (zumindest einen) Oszillators kann teilweise oder ganz on-chip (d. h. in einer elektronischen Einzelkomponente) ausgeführt sein.The oscillator can also (at least partially) instead of an integrated circuit from discrete transistors, for. B. be constructed from one or more transistor chips. The mixer can be (at least partially) an integrated circuit. The circuits of the mixer, the oscillator and the frequency divider can generally be in the form of single-chip, two-chip or three-chip solutions. The resonance circuit of the (at least one) oscillator can be partially or entirely be carried out on-chip (ie in an individual electronic component).
In dem in Figur 2 dargestellten vorteilhaften Ausführungsbei- spiel der Erfindung ist die zumindest eine elektronische Einzelkomponente CB mit einem Film SF zum Schutz vor Feuchtigkeit und äußeren mechanischen Einwirkungen abgedeckt (Filmabdeckung) .In the advantageous exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 2, the at least one electronic individual component CB is covered with a film SF for protection against moisture and external mechanical influences (film cover).
Die Filmabdeckung stellt einen Film dar, dessen Form an diejenige der zu schützenden (oder abzudeckenden) Komponenten angepaßt ist (oder wird) . Die Filmabdeckung liegt so über der Rückseite der aktiven Einzelkomponente und schließt allseitig mit der Oberfläche des Substrats ab, daß die aktive Einzel - komponente vollständig abgedeckt und dadurch vor äußeren mechanischen Einwirkungen, Staub und Feuchtigkeit geschützt ist .The film cover represents a film whose shape is (or will be) adapted to that of the components to be protected (or covered). The film cover lies over the back of the active individual component and closes with the surface of the substrate on all sides in such a way that the active individual component is completely covered and is therefore protected from external mechanical influences, dust and moisture.
Das Abdecken der Einzelkomponenten mit dem Film wird auch als Laminieren bezeichnet. Beim Laminieren wird der Film bleibend verformt . Die Filmabdeckung besteht vorzugsweise aus einem Polymer, welches eine besonders niedrige Wasser-Absorption aufweist, z. B. Polyimid, fluorbasierte Polymere wie Polytet- rafluorethylen (PTFE) oder Polyolefine wie (vernetztes) Po- lypropylen oder Polyethylen. Die Filmabdeckung kann außerdem aus einem Metall bestehen und faser- oder partikelgefüllt sein. Die Filmabdeckung kann darüber hinaus metallisch oder keramisch beschichtet sein oder werden.Covering the individual components with the film is also referred to as lamination. The film is permanently deformed during lamination. The film cover is preferably made of a polymer which has a particularly low water absorption, e.g. B. polyimide, fluorine-based polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyolefins such as (crosslinked) polypropylene or polyethylene. The film cover can also be made of a metal and filled with fibers or particles. The film cover can also be or be coated with a metallic or ceramic.
Es ist möglich, daß die Filmabdeckung alle Einzelkomponenten auf der Oberseite des Bauelements vollständig und gemeinsam bedeckt .It is possible that the film cover completely and together covers all individual components on the top of the component.
Zur Abschirmung von der Umgebung kann die Filmabdeckung zu- sätzlich mit einer Metallschicht überzogen sein. DieseThe film cover can additionally be covered with a metal layer to shield it from the surroundings. This
Schicht kann beispielsweise durch Sputtern, Galvanisieren, chemische Metallabscheidung, Bedampfen oder durch eine Kombi- nation der erwähnten Verfahren aufgetragen sein. Zur mechani- chen Stabilisierung sind die auf der Substrat-Oberseite befindlichen Einzelkomponeten in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Vergußmasse GT überdeckt. Wahlweise ist es möglich, die Vergußmasse wegzulassen. Unter Vergußmasse werden hier alle Stoffe verstanden, die im flüssigen Zustand auf den Film aufgebracht werden und durch Aushärten (chemisches Reagieren) oder Erstarren (Erkalten) fest werden. Darunter fallen sowohl gefüllte und ungefüllte Polymere, wie Abdeckmassen, Glob-Top- Massen, Thermoplaste oder Kunststoffkleber, als auch Metalle oder keramische Stoffe, wie keramische Kleber. Glob-Top ist ein Vergußmittel, das durch seine hohe Viskosität nur gering verfließt und deshalb die zu schützende Einzelkomponente tropfenförmig umschließt.Layer can, for example, by sputtering, electroplating, chemical metal deposition, vapor deposition or by a combination nation of the methods mentioned. For mechanical stabilization, the individual components located on the top of the substrate are covered in this exemplary embodiment with a casting compound GT. It is optionally possible to omit the potting compound. Potting compound is understood here to mean all substances which are applied to the film in the liquid state and solidify through hardening (chemical reaction) or solidification (cooling). This includes both filled and unfilled polymers, such as masking compounds, glob-top compounds, thermoplastics or plastic adhesives, as well as metals or ceramic materials, such as ceramic adhesives. Glob-Top is a potting compound that only flows slightly due to its high viscosity and therefore surrounds the individual component to be protected in a drop shape.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der metallbeschichtete Film nach dem Laminieren mit einem Vergußmittel überzogen werden. Es ist in einer anderen Ausführungs- form möglich, die Metallschicht nicht auf die Filmabdeckung, sondern auf die Vergußmasse aufzubringen.In an advantageous embodiment of the invention, the metal-coated film can be coated with a casting compound after lamination. In another embodiment, it is possible not to apply the metal layer to the film cover, but to the sealing compound.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements mit Keramik-Substrat wird der Film an den an dem Substrat anliegenden Rändern - beispielsweise durch Lasern - teilweise entfernt und erst danach mit Metall beschichtet, damit die abzudeckenden Einzelkomponenten vollständig von Metall bzw. Keramik umschlossen und dadurch hermetisch versiegelt sind.In an advantageous embodiment of the component according to the invention with ceramic substrate, the film is partially removed at the edges lying against the substrate - for example by laser - and only then coated with metal so that the individual components to be covered are completely surrounded by metal or ceramic and thus hermetically sealed are.
Es ist möglich, daß das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-It is possible that the radar transceiver according to the invention
Modul (zusätzlich) einen Deckel zum mechanischen Schutz der auf der Substrat-Oberseite angeordneten elektronischen Einzelkomponenten enthält .Module (additionally) contains a cover for mechanical protection of the electronic individual components arranged on the top of the substrate.
Die Bumps BU dienen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den im Substrat SU verborgenen integrierten Schaltungselementen IE und der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente CB und ggf. den weiteren auf der Substrat- Oberseite angeordneten Einzelkomponenten. Die Bumps bestehen üblicherweise aus Lot, beispielsweise SnPb, SnAu, SnAg, SnCu, SnPbAg, SnAgCu in unterschiedlichen Konzentrationen oder aus Gold. Besteht der Bump aus Lot, wird das Bauelement durch Löten mit dem Substrat verbunden; besteht er aus Gold, so können die Einzelkomponenten CB und Substrat SU durch Thermo- compression-Bonding, Ultrasonic-Bonding oder Thermosonic- Bonding (Sinter- bzw. Ultraschallschweiß-Verfahren) verbunden werden. Die Höhe der Flip-Chip-Bumps muß bei den Höchstfrequenz-Anwendungen so niedrig gehalten werden, daß nur eine geringe Menge elektromagnetischer Strahlung aus der Höchstfrequenz-Einzelkomponente heraustreten und von dem laminierten Film absorbiert werden kann. Eine Möglichkeit, die nied- rige Höhe der Flip-Chip-Bumps zu erreichen, bietet insbesondere das Thermocompression-Bonding.The bumps BU serve to establish an electrical connection between the integrated circuit elements IE hidden in the substrate SU and the at least one electronic one Individual component CB and possibly the further individual components arranged on the substrate top. The bumps usually consist of solder, for example SnPb, SnAu, SnAg, SnCu, SnPbAg, SnAgCu in different concentrations, or of gold. If the bump consists of solder, the component is connected to the substrate by soldering; if it is made of gold, the individual components CB and substrate SU can be connected by thermo-compression bonding, ultrasonic bonding or thermosonic bonding (sintering or ultrasonic welding process). The height of the flip-chip bumps must be kept so low in the high frequency applications that only a small amount of electromagnetic radiation can emerge from the high frequency single component and be absorbed by the laminated film. Thermocompression bonding, in particular, is one way of achieving the low level of flip-chip bumps.
Die elektronischen Einzelkomponenten können in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung SMD-Komponenten sein.In a further embodiment of the invention, the individual electronic components can be SMD components.
Es besteht die Möglichkeit, außer aktiven Einzelkomponenten auch passive Einzelkomponenten, insbesondere diskrete Spulen, Kondensatoren, Widerstände oder einzelne Chips mit passiven Schaltungen (beispielsweise Filter, Mischer, Anpaßschaltung) auf der Substrat-Oberseite anzubringen. Es besteht die Möglichkeit, mit zusätzlichen diskreten passiven Kompensations- strukturen die Verstimmung des Bauelements durch das Gehäuse auszugleichen.In addition to active individual components, it is also possible to mount passive individual components, in particular discrete coils, capacitors, resistors or individual chips with passive circuits (for example filters, mixers, matching circuits) on the top of the substrate. It is possible to compensate for the detuning of the component by the housing with additional discrete passive compensation structures.
Die elektronischen Einzelkomponenten sowie die integrierten Schaltungskomponenten können zumindest einen Teil folgender Schaltungen bilden: eines Hochfrequenz-Schalters, einer Anpaßschaltung, eines Hochpaßfilters, eines Tiefpaßfilters, eines Bandpaßfilters, eines Bandsperrfilters, eines Leistungs- Verstärkers, eines Kopplers, eines Richtkopplers, einer Bias- Schaltung oder eines Mischers . Falls die zumindest eine elektronische Einzelkomponente keine zu schützenden signalführenden Strukturen auf der Oberfläche aufweist (beispielsweise sind alle Schaltungselemente und Schaltungen in einem Mehrlagensubstrat verborgen) , so ist es möglich, diese Einzelkomponente zuerst mit der Vergußmasse zu überziehen und erst nach dem Aushärten der Vergußmasse eine Filmabdeckung aufzubringen.The individual electronic components and the integrated circuit components can form at least part of the following circuits: a high-frequency switch, a matching circuit, a high-pass filter, a low-pass filter, a bandpass filter, a bandstop filter, a power amplifier, a coupler, a directional coupler, a bias circuit or a mixer. If the at least one electronic individual component does not have any signal-carrying structures to be protected on the surface (for example, all circuit elements and circuits are hidden in a multilayer substrate), it is possible to coat this individual component first with the potting compound and only after the potting compound has hardened to have a film cover applied.
Die Signalleitungen im erfindungsgemäßen Bauelement können entweder ganz im Substrat verborgen sein, oder zumindest ein Teil der Signalleitungen kann auf der Oberseite des Substrats angeordnet sein.The signal lines in the component according to the invention can either be completely hidden in the substrate, or at least some of the signal lines can be arranged on the top of the substrate.
Es ist möglich, daß entweder zumindest ein Teil der Signal- leitungen sowie DC-Verbindungsleitungen auf der Ober- oder Unterseite des Substrats angeordnet ist, oder daß alle Signalleitungen im Substrat verborgen sind.It is possible that either at least some of the signal lines and DC connecting lines are arranged on the top or bottom of the substrate, or that all signal lines are hidden in the substrate.
Die Höchstfrequenz-Verbindungsleitungen im erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Modul können als Mikrostreifenleitungen bzw. „suspended microstrip" (mit Dielektrikum bedeckte Mikrostreifenleitungen) , Zweidrahtleitungen oder Koplanarleitungen (Dreidrahtleitungen) bzw. Triplate-Leitungen (mit Dielektrikum bedeckte Koplanarleitungen) ausgeführt sein.The maximum frequency connection lines in the radar transceiver module according to the invention can be designed as microstrip lines or “suspended microstrip” (microstrip lines covered with dielectric), two-wire lines or coplanar lines (three-wire lines) or triplate lines (coplanar lines covered with dielectric).
Die vertikalen Höchstfrequenz-Signaldurchführungen können als zwei oder drei parallel angeordnete Durchkontaktierungen (bei Zwei- bzw. Dreidrahtleitungen) oder als eine Art Koaxleitung ausgeführt sein. Im letzteren Fall ist die signalführende Durchkontaktierung in der Art einer koaxialen Verbindung von mehreren um sie ringsum angeordneten an die Masse angeschlossenen Durchkontaktierungen umgeben.The vertical maximum frequency signal feedthroughs can be designed as two or three through-contacts arranged in parallel (in the case of two-wire or three-wire lines) or as a type of coax line. In the latter case, the signal-carrying via is surrounded in the manner of a coaxial connection by a plurality of through-contacts arranged around it and connected to the ground.
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Integration der Höchstfre- quenz-Schaltungselemente (hier: Mischer) in den Metallisierungsebenen des Substrats in einer perspektivischen Darstellung. Dabei liegen zwei Höchstfrequenz-Verbindungsleitungen VL und zwei Tiefpaßfilter TPFI bzw. der Hybridring HR in der oberen bzw. in der unteren Metallisierungsebene. Jedes Tiefpaßfilter ist aus Radial Stubs RS und dünnen Leitungen DL aufgebaut. Die dünnen Leitungen wirken dabei induktiv, und die Radial Stubs wirken kapazitiv. Der Radius der RadialFIG. 3 shows an exemplary integration of the high-frequency circuit elements (here: mixer) in the metallization levels of the substrate in a perspective view. There are two high-frequency connecting lines VL and two low-pass filters TPFI and the hybrid ring HR in the upper and in the lower metallization level. Each low-pass filter is made up of radial stubs RS and thin lines DL. The thin lines have an inductive effect, and the radial stubs have a capacitive effect. The radius of the radial
Stubs sowie die Länge der dünnen Leitungen zwischen zwei Radial Stubs beträgt (ungefähr) eine Viertelwellenlänge, so daß am Ansatz des Radial Stubs ein Kurzschluß für am breiten Ende des Radial Stubs aufgefangene Höchstfrequenzsignale entsteht . Der Hybridring ist über Durchkontaktierungen DK2 z. B. an die auf der Substrat-Oberseite angeordneten Mischerdioden oder an die Mischer- IC angeschlossen.Stubs and the length of the thin lines between two radial stubs is (approximately) a quarter wavelength, so that a short-circuit occurs at the base of the radial stub for high frequency signals collected at the wide end of the radial stub. The hybrid ring is z. B. connected to the mixer diodes arranged on the substrate top or to the mixer IC.
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Radar-Transceivers mit einem (spannungsgesteuerten) Oszillator OSZ-IC und zwei Mischerdioden MIX1 und MIX2 im schematischen Querschnitt. Die Bezugszeichen in dieser Figur entsprechen denjenigen der vorher erläuterten Figuren. Die verborgenen Schaltungselemente (z. B. der Hybridring HR, der Oszillator-Resonanzkreis RES und die TiefpaßstrukturenFIG. 4 shows an advantageous embodiment of the radar transceiver according to the invention with a (voltage-controlled) oscillator OSZ-IC and two mixer diodes MIX1 and MIX2 in a schematic cross section. The reference numerals in this figure correspond to those of the previously explained figures. The hidden circuit elements (e.g. the hybrid ring HR, the oscillator resonance circuit RES and the low-pass structures
TPFI) sind von Masseflächen GND1, GND2 und GND3 umfaßt. Die Struktur ANT ist entweder eine Antennenstruktur oder alternativ dazu ein Höchstfrequenz-Anschluß an eine externe Antenne.TPFI) are covered by ground areas GND1, GND2 and GND3. The structure ANT is either an antenna structure or, alternatively, a maximum frequency connection to an external antenna.
Das Substrat enthält unterschiedliche dielektrische Lagen bezüglich der Dielektrizitätskonstante oder der Dicke der Lagen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die dielektrischen Lagen, welche den Hybridring und den Oszillator-Resonanzkreis umfassen, dicker als die Tiefpaßstrukturen umfassenden Lagen. Je geringer der Abstand zwischen einer Metallisierungsebene mit den signalführenden Strukturen und einer Metallisierungs- ebene mit der Massefläche und je höher die Dielektrizitätskonstante der entsprechenden dielektrischen Lagen ist, desto kapazitätsreicher (niederohmiger im Sinne der Höchst- frequenz) sind die in der ersten der genannten Metallisierungsebenen angeordneten Leiterstrukturen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Innere des Substrats in zwei funktionale Sektionen - eine in Figur links angeordnete Oszillator-Sektion bzw. eine in Figur rechts angeordnete Mischer-Sektion - unterteilt, denen jeweils zur Zu- bzw. Abfüh- rung der niederfrequenten Signale Zfout, Vtune, Vcc bzw. MI- Xout vorgesehene Außenkontakte an der Unterseite entsprechen.The substrate contains different dielectric layers with respect to the dielectric constant or the thickness of the layers. In this exemplary embodiment, the dielectric layers, which comprise the hybrid ring and the oscillator resonance circuit, are thicker than the layers comprising low-pass structures. The smaller the distance between a metallization level with the signal-carrying structures and a metallization level with the ground surface and the higher the dielectric constant of the corresponding dielectric layers, the more capacitive (lower resistance in the sense of the maximum frequency) that are arranged in the first of the metallization levels mentioned conductor structures. In this exemplary embodiment, the interior of the substrate is divided into two functional sections - an oscillator section arranged on the left in the figure or a mixer section arranged on the right in the figure - each of which for supplying and removing the low-frequency signals Zfout, Vtune , Vcc or MI-Xout correspond to the external contacts provided on the underside.
Die Mischer-Sektion enthält einen Hybridring (Ratrace oder 90°-Hybridring) HR, Tiefpaßstrukturen TPFI, zwei Schottky- Dioden MIXl und MIX2 und die entsprechenden durch die Durchkontaktierungen realisierte Vertikalverbindungen. Die Oszillator-Sektion enthält eine IC, welche teilweise einen (vorzugsweise spannungsgesteuerten) Oszillator und einen Frequenzteiler umfaßt (eine OSZ-IC) , einen im Substrat verborge- nen Resonanzkreis RES, Tiefpaßstrukturen sowie Verbindungsleitungen und Durchkontaktierungen.The mixer section contains a hybrid ring (ratrace or 90 ° hybrid ring) HR, low-pass structures TPFI, two Schottky diodes MIX1 and MIX2 and the corresponding vertical connections realized through the plated-through holes. The oscillator section contains an IC, which partly comprises a (preferably voltage-controlled) oscillator and a frequency divider (an OSZ-IC), a resonance circuit RES hidden in the substrate, low-pass structures as well as connecting lines and vias.
Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul stellt eine mit konventionellen Standard-SMD-Bestückverfahren leicht zu ver- arbeitende Komponente dar. Das erfindungsgemäße Radar-The radar transceiver module according to the invention represents a component that is easy to process with conventional standard SMD placement methods.
Transceiver-Modul kann insbesondere auf eine Systemleiterplatte, z. B. eine FR4-Leiterplatte oder ein meist aus Laminaten hergestelltes Softboard bestückt werden.Transceiver module can in particular on a system board, for. B. an FR4 circuit board or a softboard usually made of laminates.
Bei besonders komplexen Systemtopologien, die sich nicht in einem vollintegrierten Modul realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die entsprechenden Teilfunktionen des Radar-Transceivers in Teilmodulen zu realisieren, die auf einem Systemträger miteinander verbunden werden. Man kann den Radar-Transceiver beispielsweise aus zwei separaten Bausteinen - einem Sender-Teilmodul, das die Oszillator-Sektion enthält, und einem Empfänger-Teilmodul, das die Mischer-Sektion enthält - aufbauen. In einigen Fällen, wenn eine Antenne wie z. B. eine richtscharfe Antenne viel Substratfläche ver- braucht, ist es zweckmäßig, eine solche Antenne außerhalb des Substrats bzw. des hier beschriebenen Moduls auszuführen. Als Systemträger zur Herstellung der Verbindung zwischen den Teilmodulen und z. B. zur Ausführung der Planarantenne eignen sich insbesondere Keramik und Laminate auf der Basis von Teflon oder Glasfaser.In the case of particularly complex system topologies which cannot be implemented in a fully integrated module, the invention provides for the corresponding subfunctions of the radar transceiver to be implemented in submodules which are connected to one another on a system carrier. The radar transceiver can be constructed, for example, from two separate components - a transmitter sub-module that contains the oscillator section and a receiver sub-module that contains the mixer section. In some cases, when an antenna such as. For example, if a sharp antenna uses a large amount of substrate area, it is expedient to implement such an antenna outside the substrate or the module described here. As a system carrier for establishing the connection between the Sub-modules and z. B. for the execution of the planar antenna are particularly suitable ceramics and laminates based on Teflon or glass fiber.
Die Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus weiteren von den dargestellten Ausführungen unterschiedlichen relativen Anordnungen von Schaltungselementen, Einzelkomponenten, Filmabdeckung, Vergußmasse und Metallschicht .For the sake of clarity, the invention has only been illustrated with the aid of a few exemplary embodiments, but is not restricted to these. Further possible variations result from further relative arrangements of circuit elements, individual components, film cover, potting compound and metal layer which differ from the embodiments shown.
Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus weiteren von den dargestellten Ausführungen unterschiedlichen relativen Anordnungen des Oszillators, des Mischers, des Frequenzteilers, der Tiefpaßfilter, der Verstärker oder der Antennen im Sende- und/oder Empfangspfad.Further possible variations result from further relative arrangements of the oscillator, the mixer, the frequency divider, the low-pass filter, the amplifier or the antennas in the transmission and / or reception path which differ from those shown.
Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich hinsichtlich der Anzahl der verwendeten (oben genannten) Schaltungen und imFurther variation possibilities arise with regard to the number of circuits used (mentioned above) and in
Hinblick auf die Verbindungstechnik zwischen der Einzelkomponente und Substrat sowie zwischen dem Substrat und einer externen Leiterplatte. With regard to the connection technology between the individual component and substrate and between the substrate and an external circuit board.

Claims

Patentansprüche claims
1. Radar-Transceiver, enthaltend: zumindest einen Oszillator, der zumindest ein aktives Schaltungselement, zumindest einen Resonanzkreis und zumindest eine zur Frequenzverstimmung geeignete Komponente umfaßt , zumindest einen Mischer, der zumindest eine Diode und zumindest ein passives Schaltungselement umfaßt, - ein Substrat (SU) mit zumindest zwei direkt übereinander angeordneten dielektrischen Lagen, bei dem auf, unterhalb und zwischen den dielektrischen Lagen Metallisierungsebenen vorgesehen sind, eine oder mehrere auf der Oberseite des Substrats (SU) an- geordnete elektronische Einzelkomponenten (CB) , die zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des Mischers und zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des Oszillators umfassen, wobei das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder der zumindest eine Resonanzkreis des Oszillators in einer der Metallisierungsebenen des Substrats (SU) integriert ist.1.Radar transceiver, comprising: at least one oscillator which comprises at least one active circuit element, at least one resonance circuit and at least one component suitable for frequency detuning, at least one mixer which comprises at least one diode and at least one passive circuit element, - a substrate (SU ) with at least two dielectric layers arranged directly one above the other, in which metallization planes are provided on, below and between the dielectric layers, one or more individual electronic components (CB) arranged on the upper side of the substrate (SU), which have at least one active or nonlinear one Circuit component of the mixer and at least one active or non-linear circuit component of the oscillator, wherein the at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the oscillator is integrated in one of the metallization levels of the substrate (SU).
2. Radar-Transceiver nach Anspruch 1, bei dem der Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist.2. Radar transceiver according to claim 1, wherein the oscillator is a voltage controlled oscillator (VCO).
3. Radar-Transceiver nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Oszillator ein auf der Substrat-Oberseite angeordnetes nichtlineares Schaltungselement zur Frequenz- Verstimmung umfaßt.3. Radar transceiver according to claim 1 or 2, wherein the oscillator comprises a non-linear circuit element arranged on the top of the substrate for frequency detuning.
4. Radar-Transceiver nach Anspruch 3, bei dem das nichtlineare Schaltungselement zur Frequenz- Verstimmung eine Varaktor-Diode ist .4. Radar transceiver according to claim 3, wherein the non-linear circuit element for frequency Detuning is a varactor diode.
5. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Mischer einen im Substrat (SU) integrierten Hybridring enthält.5. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 4, wherein the mixer contains a hybrid ring integrated in the substrate (SU).
6. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, der einen Frequenzteiler (FD) zur Teilung der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators umfaßt.6. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 5, which comprises a frequency divider (FD) for dividing the frequency of the output signal of the oscillator.
7. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, der einen Phasenregelkreis umfaßt, welcher in die Schaltung des Frequenzteilers integriert ist.7. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 6, comprising a phase locked loop which is integrated in the circuit of the frequency divider.
8. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, der auf der Substrat-Unterseite ein Terminal zum Anschluß einer externen Antenne aufweist .8. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 7, which has a terminal on the substrate underside for connecting an external antenna.
9. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest ein Teil zumindest einer Antenne (TX-9. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 8, in which at least part of at least one antenna (TX-
ANT, RX-ANT) auf der Substrat-Oberseite oder der Substrat-Unterseite angeordnet ist.ANT, RX-ANT) is arranged on the substrate top or the substrate bottom.
10. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, der zumindest eine Filmabdeckung (SF) umfaßt, welche die eine oder mehreren elektronischen Einzelkomponenten vollständig bedeckt und dazu dient, die eine oder mehreren e- lektronischen Einzelkomponenten vor Staub, Feuchtigkeit und mechanischen Einwirkungen zu schützen. 10. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 9, which comprises at least one film cover (SF) which completely covers the one or more individual electronic components and serves to protect the one or more electronic individual components from dust, moisture and mechanical Protect impacts.
11. Radar-Transceiver nach Anspruch 10, bei dem die Filmabdeckung durch eine Metallschicht bedeckt ist .11. The radar transceiver of claim 10, wherein the film cover is covered by a metal layer.
12.Radar-Transceiver nach zumindest einem der. Ansprüche 1 bis 11, der mit einer Vergußmasse verkapselt ist.12.Radar transceiver according to at least one of the. Claims 1 to 11, which is encapsulated with a potting compound.
13.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, der zumindest ein im Substrat (SU) integriertes Schaltungselement (IE) enthält, ausgewählt aus einer Induktivität, einer Kapazität, einer Leitung oder einem Leitungsabschnitt .13.Radar transceiver according to at least one of Claims 1 to 12, which contains at least one circuit element (IE) integrated in the substrate (SU), selected from an inductance, a capacitance, a line or a line section.
14.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die eine oder mehreren elektronischen Einzelkomponenten (CB) auf der Oberseite des Substrats (SU) aus einem Mikrowellen-Chip, einem Millimeterwellen-Chip oder einem IC-Bauelement ausgewählt sind.14. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 13, in which the one or more electronic individual components (CB) on the top of the substrate (SU) are selected from a microwave chip, a millimeter wave chip or an IC component ,
15.Radar-Transceiver nach Anspruch 14, bei dem das zumindest eine IC-Bauelement ein MMIC- Bauelement - Monolithic Microwave Integrated Circuit - darstellt .15. Radar transceiver according to claim 14, wherein the at least one IC component is an MMIC component - Monolithic Microwave Integrated Circuit.
16.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die eine oder mehreren elektronischen Einzelkomponenten mit dem Substrat (SU) in Flip-Chip Technik oder SMD-Technik mechanisch und elektrisch verbunden sind.16. Radar transceiver according to at least one of Claims 1 to 15, in which the one or more electronic individual components are mechanically and electrically connected to the substrate (SU) using flip-chip technology or SMD technology.
17.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, der die eine oder weitere elektronische Einzelkomponenten (CB) umfaßt, welche aus folgenden Komponenten ausgewählt sind: einem diskreten passiven Schaltungselement einschließlich einer Spule, eines Kondensators und eines Widerstands, oder einen kompakten Schaltungsblock aufweist, der zumindest eine elektronische Einzelkomponente, ausgewählt aus einer Spule, einem Kondensator oder einem Widerstand, einschließlich einer beliebigen Kombination der hier genannten Einzelkomponenten, enthält.17. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 16, which comprises the one or more individual electronic components (CB), which are selected from the following components are: a discrete passive circuit element including a coil, a capacitor and a resistor, or a compact circuit block containing at least one electronic component selected from a coil, a capacitor or a resistor, including any combination of the individual components mentioned here.
18.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Substrat (SU) zumindest zwei Lagen aus LTCC- oder HTCC-Keramik - Low Temperature Cofired Ceramic, High Temperature Cofired Ceramic - enthält.18. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 17, wherein the substrate (SU) contains at least two layers of LTCC or HTCC ceramic - Low Temperature Cofired Ceramic, High Temperature Cofired Ceramic.
19.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 18, der zumindest eine Mischer-Diode oder zumindest ein Chip- Bauelement, welches eine Mischer-Funktion realisiert, und ein IC-Bauelement enthält, welches zumindest einen Teil des Oszillators und des Frequenzteilers (FD) umfaßt.19.Radar transceiver according to at least one of claims 14 to 18, the at least one mixer diode or at least one chip component, which implements a mixer function, and an IC component, which contains at least part of the oscillator and the frequency divider (FD).
20.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 19, bei dem zumindest ein Teil des Oszillators, des Frequenzteilers (FD) und des Mischers in einem, zwei oder drei IC-Bauelementen realisiert ist.20.Radar transceiver according to at least one of claims 14 to 19, in which at least part of the oscillator, the frequency divider (FD) and the mixer is implemented in one, two or three IC components.
21.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem eine Frequenzmodulation durch eine Frequenztak- tung des Oszillators, eines Verstärkers oder eines Höchstfrequenz-Schalters erfolgt .21. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 20, in which a frequency modulation is carried out by a frequency clocking of the oscillator, an amplifier or a maximum frequency switch.
22.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem eine Amplitudenmodulation durch eine Amplituden- taktung des Oszillators, eines Verstärkers oder eines Höchstfrequenz-Schalters erfolgt .22.Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 21, in which an amplitude modulation by an amplitude Clocking of the oscillator, an amplifier or a high-frequency switch takes place.
23.Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem das zumindest eine IC-Bauelement zumindest einen Verstärker im Sende- oder Empfangspfad umfaßt.23. Radar transceiver according to at least one of Claims 13 to 22, in which the at least one IC component comprises at least one amplifier in the transmission or reception path.
24. Radar-Transceiver nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 23, der als ein LTCC-Modul oder miteinander elektrisch verbundene Teilmodule ausgeführt ist, wobei die genannten Teilmodule in SMD-Technik maschinell bestückt werden.24. Radar transceiver according to at least one of claims 1 to 23, which is designed as an LTCC module or sub-modules that are electrically connected to one another, the sub-modules mentioned being mechanically equipped in SMD technology.
25. Radar-Transceiver nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (SU) als ein monolithischer keramischer Körper ausgebildet ist.25. Radar transceiver according to claim 1, wherein the substrate (SU) is designed as a monolithic ceramic body.
26.Radar-Transceiver nach Anspruch 1, bei dem das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder der zumindest eine Resonanzkreis des Oszillators zumindest teilweise in einer der innen liegenden Metallisierungsebenen des Substrats (SU) integriert ist . 26.Radar transceiver according to claim 1, wherein the at least one passive circuit element of the mixer and / or the at least one resonance circuit of the oscillator is at least partially integrated in one of the inner metallization levels of the substrate (SU).
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